Transcript 1 - 国家同步辐射实验室

The Eighth OCPA Accelerator School
Xiuning ，Anhui，July 27 – August 6, 2014
注入与引出
尚 雷
中国科学技术大学
主要内容
 注入引出系统概述
切割磁铁与冲击磁铁
 注入引出方法
（轴上注入、凸轨注入、快引出、共振引出）
 设计实例
（SSRF TPS）
 top-off注入简介
 单脉冲多极铁注入法
 注入引出脉冲电源
参考文献
[1] Brennan Goddard, CAS，Injection and extraction, 2012
[2] Hiroyuki Takaki and Norio Nakamura, Beam injection with a pulsed sextupole magnet
in an electron storage ring ,Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010).
[3] K. Harada, Y. Kobayashi, et al., New injection scheme using a pulsed quadrupole
magnet in electron storage ring. Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 123501 (2007).
[4] C.K. Chan a, C.C.Chang , et al., Beam injection system on a movable plate for
the Taiwan Photon Source, NIMA 709(2013) ,56-63
[5]C.K. Chan, C.C. Chang, et al., Design and fabrication of the vacuum systems for
TPS pulsed septum magnets ,NIMA 2014.05.063
[6] M. Gu , Pulsed Magnet System for SSRF Injection & Extraction, 2009
[7] Handbook of Accelerator Physics and Engineering, edited by A.W. Chao and M.
Tigner, World Scientific, Singapore 1998
[8] Injection, G.H. Rees, CAS, Fifth General Accelerator Physics Course, 1994
引言
在大型加速器
中，注入与引出是
个关键环节，束流
从一个加速阶段转
移到另一个加速阶
段，从加速器到实
验系统，都需要通
过输运线和注入引
出系统实现。
LHC:
SPS:
AD:
ISOLDE:
PSB:
PS:
LINAC:
LEIR:
CNGS:
Large Hadron Collider
Super Proton Synchrotron
Antiproton Decelerator
Isotope Separator Online Device
Proton Synchrotron Booster
Proton Synchrotron
LINear Accelerator
Low Energy Ring
CERN Neutrino to Gran Sasso
注入引出区通常是发生较大束流损失的地方，因此
提高传输效率很重要，由于空间的限制以及对循环束
扰动小的要求，注入引出设备通常具有紧凑性、低杂
散场、快上升下降时间等特殊性。由于剩余辐射本底
较大，还要考虑设备可维护问题。





常用注入引出元件：
切割磁铁
冲击磁铁
静电切割板
慢凸轨磁铁
剥离膜
冲击磁铁 Kicker magnet
w
快速冲击磁铁，上升时间
通常为 (100ns – few ms)
Ferrite
g
B
I
B
L
lumped inductance kicker
μ0 I
g
2U 0 wμ0l

2
g
I0
偏转角度 θ  0.3Bl / E
单位
rad T m GeV
transmission line kicker magnet
切割磁铁 Septa
安装于输运线和环形加速器交点；注入输运线最后一个元件。
磁芯材料：硅钢片，脉冲或直流，切割板厚度 2-20mm，电流 5-25 kA
Transport line
vacuum chamber
Circulating beem
vacuum chamber
Septum coil
Laminated yoke
Return coil
几种切割磁铁
Lambertson
direct drive
Eddy current
shield in copper
Backing coils
eddy current type
Laminated
iron yoke
几种切割磁铁的技术难点
direct drive
DC供电时 高电流密度及大流量冷却水
lambertson
杂散磁场问题
Eddy current
真空放气率问题、机械振动问题
静电切割板 Electrostatic septum
高压直流静电场，具有很薄的隔板 (~0.1mm)
适用于低能粒子
High voltage
electrode
Hollow earth
electrode
g
E0
E=0
Thin wire or
foil (~0.1 mm)
E=V/g
Typically V = 200 kV
E = 100 kV/cm
High Voltage
Electrode
Septum wires
Hollow earth
electrode
轴上注入法 on-axis injection
Septa
Circulating beam
F-quad
Kicker magnet
D-quad
轴上注入法是一种单圈注入方式，多见于增 能 器（
Booster），由切割磁铁 ( Sept a ) 单元和一个快冲击磁铁
(Fast Kicker)构成，当外来束流经切割磁铁偏转进入环中
经过一段距离到达环中心 轨 道 时，注入束流与稳定轨道仍
有一个交角，此时经过Kicker的偏转使注入束流和理想轨
道重合，快冲击磁铁的作用时间必须足够小（小于一个回
旋周期）。
P
归一化相空间
X
ψ1,2
X x
β
P  (x  βx)
Septum(χ1 ,β1 α1)
A2  X 2  P 2
Kicker(χ2, β2α2 )
Septum出口处的角度满足
x1  (1  ctg1, 2 ) x1 / 1
Kicker的偏转角度
  x1 /( 1  2 sin 1, 2 )
β
Septum
F
D
F
ψ1,2
x1  1 x1 / 1
  x1 /( 1  2 )
Kicker
Large deflection by septum
 septum
P
X
p/2 phase advance to kicker location
P
X
Kicker deflection places beam on central orbit
 kicker
P
X
For imperfect injection the beam oscillates around the central orbit. 1
kicker  error
P
X
For imperfect injection the beam oscillates around the central orbit. 2
P
X
For imperfect injection the beam oscillates around the central orbit. 3
P
X
For imperfect injection the beam oscillates around the central orbit. 4
P
X
凸轨注入法 Off-axis injection with local bump
凸轨注入法是目前应用最广泛的一种粒子加速器注入
方法，一般使用三块或四块冲击磁铁产生一个局部凸轨。
当注入时，凸轨向切割磁铁靠近使注入束流落入环的接受
度孔径之内。当注入束流旋转一周回到注入点时，凸轨已
回缩，束流能够躲过切割板。
局部凸轨法既可以单圈注入，也可以实现多圈注入。
当满足以下条件时可实现多圈注入
1.注入束与环相空间匹配；
2.束流“宏脉冲”长度长于环回旋周期；
3.具有合适的工作点；
4.凸轨按照一定的速率回缩；
注入束流与凸起的闭合轨道之间的距离代表了注入
束流的β振荡幅度，随着凸轨的回缩,后来注入的束流
振荡振幅愈来愈大，直到振幅过大而碰壁损失，不能注
入更多的束流。
多圈注入演示
Turn 1
Example: CERN PSB injection, fractional tune Qh = 0.25
Beam rotates p/2 per turn in phase space
Multi-turn injection for hadrons
On each turn inject a
new batch and reduce
the bump amplitude
1
P
X
Septum
Turn 2
Multi-turn injection for hadrons
2
1
P
X
Turn 3
Multi-turn injection for hadrons
1
3
2
P
X
Turn 4
Multi-turn injection for hadrons
1
2
4
3
P
X
Turn 5
Multi-turn injection for hadrons
2
3
1
4
P
X
5
Turn 6
Multi-turn injection for hadrons
3
4
2
1
5
P
X
6
Turn 7
Multi-turn injection for hadrons
4
5
1
3
2
P
6
X
7
Turn 8
Multi-turn injection for hadrons
5
1
6
2
4
3
P
7
X
8
Turn 9
Multi-turn injection for hadrons
6
2
7
3
1
4
P
8
X
5
9
Turn 10
Multi-turn injection for hadrons
7
3
8
4
2
1
5
P
9
X
6
10
Turn 11
Multi-turn injection for hadrons
8
4
9
5
1
3
2
6
P
10
X
7
11
Turn 12
Multi-turn injection for hadrons
9
5
1
10
6
2
4
3
P
7
X
11
8
Turn 13
Multi-turn injection for hadrons
10
6
2
11
7
3
1
4
P
8
X
5
9
Turn 14
Multi-turn injection for hadrons
11
7
3
8
4
2
1
5
P
9
X
6
10
Turn 15
Phase space has been “painted”
8
4
9
5
1
3
7
11
2
6
P
10
X
In reality filamentation occurs to produce a quasi-uniform beam
电子注入过程的同步辐射阻尼效应
电子加速器注入时，注入束流经过足够长的时间（大于储存环的阻
尼时间），入射电子束在同步辐射阻尼效应作用下振荡幅度逐渐衰减，在
同步辐射阻尼和量子激发效应的共同作用下，束流达到新的平衡状态，与
已储存束流汇合，可以开始多次注入累积束流。
P
X
凸轨系统误差
和储存环其他磁铁、电源系统一样，凸轨注入系统也
存在着设计、制造、安装等误差，这些误差对注入过程及
存储束流存在着一定的影响。在以top-off模式注入的同步
辐射光源中，储存束流轨道的变化成为影响同步辐射用户
实验稳定性的重要因素。
时间一致性
波形一致性
幅度一致性
电子径向位移
x(mm)
x (mm)
40
20
0
-20
-40
0
20
40
60
40
20
y(mm)
x (mm)
电子径向位移 x(mm)
沿环位置 s(m)
0
-20
-40
0
20
40
沿环位置 s(m)
磁场的不一致性对束流轨道的影响
60
三冲击磁铁凸轨条件
假设每块冲击磁铁的偏转角度分别为 i（ i=1，2 ，3 ），
M(Kj/Ki)从Ki到Kj的传输矩阵，粒子在冲击磁铁处的相空间坐标为
 xi 
 '
 xi  i 1, 2,3
Septum
假设初始条件为,
 x 3  0 
 ' 
 x 3  0 
b
K3
粒子经过局部凸轨后的坐标为
 x 2  0 
 ' 
 x 2  0 
K1
K2
设计的凸轨高度为b, 则存在下列关系式
Septum
  x3   0 
 '    
  x3  3 
K3
 x
 x3   0 
 1 
  '   M K1 K 3  '    
 x3   1 
  x1 
 x 
x  0
  2   M K 2 K1`  1    
 
'
  x2' 
x
 1  2 
 x1  b 
 '   '
 x1   x1 
 
 
 x2 
0


 x' 
0
 2 
b
K1
K2
用Twiss参数和相位差表示Ki到Kj的传输矩阵
M K j Ki

j
(cos ji   i sin  ji )

i


(1   i j ) sin  ji  ( j   i ) cos  ji

 j i

则可以得到局部凸轨条件表达式：
3  
1  
2 
b0
 3  1 sin( 3,1 )
sin( 3,1   1, 2 )
 3 1 sin( 3,1 ) sin( 1, 2 )
b0
1  2 sin  1, 2
b0

 j  i sin  ji



i
(cos ji   j sin  ji 
j

当K2和K3冲击磁铁之间的相位差等于180度时
sin  32  sin p  0
sin  13  sin  21  sin
p
2
1
K1冲击磁铁的所需偏转角度为零，此时只需要两块冲击磁铁就可
以产生需要的凸轨。凸轨条件表达式为：

 2 


 
 3

b
1 2
b
1 3
四冲击磁铁凸轨条件
Symmetrical center of
Of straight section
b0
M
K1
N
K2
D
E
o
K3
K4
四冲击磁铁的局部凸轨，可以看作两个三冲击磁铁凸轨的线性叠加，只
是多余一个自由度可以用于调节凸轨形状，调节更为自由。
• 类似于求解三冲击磁铁局部凸轨条件，可以得到四冲击磁铁凸轨条件
。假设凸轨形状如图，其中O点为注入点。从K1到K2的转换矩阵为
 m11
M
m 21
m12 
m 22 
 n 11
N
n 21
n 12 
n 22 
从K2到O的转换矩阵为
从O到K3的转换矩阵为
 e11
E
e 21
e12 
e 22 
• 从K3到K4的转换矩阵为
 d 11
D
d 21
d 12 
d 22 
假设粒子初始坐标为
0 
0 
 
粒子在四块冲击磁铁处的位置坐标为
 x1  0 
 '    
 x1   1 

 x 2   M  x1   0 
 '  
 x ' 
x1   2 
2



 x 
 x2 
 '   N  ' 
 x2 
 x  o
 x
  3   E  x   0 
 '
 
 x3' 
x
 o  3 

 x 4 
 x 3  0 
 '   D  '    
 x 4 
 x3   4 
•
设计凸轨高度为b ，并且出射时位置与方向不变，所以令
x 
b
 '   
 x  o 0 
 x 4  0 
 ' 
 x 4  0 
则可以得到以下方程：
m12 n 11 1  m 22 n 12 1  n 12 2  0
n m   n m   n   0
 21 12 1
22
22 1
22 2

e11d 11b  d 12 e 21b  d 12 3  0
d 21e11b  d 22 e 21b  d 22 3   4  0
• 从而得到四块冲击磁铁的偏转角度为
n 22

 1  m b
12


n 21 m 12  m 22 n 22
b
 2  
m 12


   e 21 d 12  d 11 e11 b
 3
d 12

  e11 b
 4 d 12
式中的矩阵元分别为
m12   1  2 sin  21


1
m

(cos 21   2 sin  21 )
 22
2


(1   2 0 ) sin  o 2  ( o   2 ) cos  o 2
n


 21
2o


n   2 (cos   sin  )
o2
o
o2
 22
o

e   (1   3 0 ) sin  3o  ( 3   o ) cos  3o
 21
3o


3
(cos 3o   o sin  3o )
e11 

o


d 11   4 (cos 43   3 sin  43 )

3

d 12   3  4 sin  43
代入上式可以得到四冲击磁铁凸轨条件表达式，
b cos  o 2   o sin  o 2



 1
sin  21
 o 1


b
1
cos  o1   o sin  o1 



 2
 o  2 sin  21


1
   b
cos  4o   o sin  4o 
3

 o  3 sin  43

cos  3o   o sin  3o
b



 4
sin  43
o4

其中i是Ki出的函数，i是Ki处的函数，2=’是函数的变化率。
当注入点位于直线节中点，中间两块冲击磁铁 安装在自由长直线节，
n21=0,n22=1,e21=0,e22=1,代入上式，凸轨条件简化为
b



 1
 2  1 sin  21


b cos  21   2 sin  21
 2  
2
sin  21


   b cos  43   3 sin  43
 3
3
sin  43

b
 
 4
 3  4 sin  43

当冲击磁铁K1、K2 也安装在自由长直线节上时，m12=L21 ，m22=1 ，d11=1
，d12=L43 ，其中 L12、L34分别为1号、2号和3号、4号冲击磁铁间距离，
代入上式，凸轨条件简化为，
b

 1  L
21

b

 2   L

21

   b
 3
L43

  b
 4 L43
若1号、2号和3号、4号冲击磁铁间距离相等，L12=L34 ，所以凸轨条件
最为简单，表达式为
 1   2   3   4 
b
L
合理地选择冲击磁铁位置和Twiss参数，可以获得简单合理的注入
凸轨形状。由上式可以看出，凸轨形状与储存环Lattice参数基本
无关，机器Lattice参数优化将具有很大的自由度。
负离子注入法
Charge exchange H- injection
Stripping foil
H0
Circulating p+
Displace orbit
Injection chicane dipoles
闭合轨道向注入束流轨道方向凸起，并和注入束流轨道重合，同时安装
电荷剥离膜，剥离后的H+向里面偏，H-向外偏。因为H-剥离是在环接受度内
实现，束流可打破刘维定律限制而注入很多圈，尽管源流强低几个数量级，
但仍然可达到比常规质子直接注入法更高的流强且注入时间短，在空间电荷
效应的极限下可以较方便地控制最终的束流分布。
负离子注入法
End of injection process
Stripping foil
H0
Circulating p+
Injection chicane
H- injection - painting
x’ vs x
y’ vs y
y vs x
Time
Note injection into
same phase space
area as circulating
beam
~100 turns
单圈快引出 Fast single turn extraction
Septum magnet
Closed orbit bumpers
Kicker magnet
快引出的时间在粒子的一个回旋周期之内，它是轴上注入法的逆
过程，一般来说引出时能量较高，有时需要辅助慢凸轨磁铁，以减小
Kicker的偏转角度。Kicker和Septum之间相移90°时偏转角最小。
1/3共振慢引出 slow extraction
Extracted beam
Septum
Closed orbit bumpers
1/3共振慢引出通过六极铁激励非线性振荡实现，慢凸轨磁铁将待引
出束流移动到切割板附近，调节Tune使束流慢慢越过切割板。引出效率和
切割板厚度及引出前振荡振幅增长速度有关。常用于医疗、高能物理实验。
P
X
Septum wire
• 没有六级场时，粒子在归一化相空间(X,P)的轨迹是一个作简谐运动的
圆
P
X
Septum wire
•存在六级场时，小振幅粒子轨迹基本没有变化，大振幅粒子运动将受到
扰动，在稳定区的边界附近形成一个近似三角形
P
X
Septum wire
P
X
• 减小Q Q = Q - Qr
Septum wire
P
X
Septum wire
P
X
• Q 减小大振幅粒子接近不稳定边界
Septum wire
P
X
Septum wire
• 大振幅粒子开始不稳定，沿着不稳定边界移动。
P
X
• Q进一步减小，稳定区收缩
Septum wire
P
X
Septum wire
• 稳定区进一步收缩，不稳定边界线向内移动。
P
X
Septum wire
• 随着相稳定区缩小，束流逐步被引出，粒子密度变小
P
X
Septum wire
P
X
Septum wire
P
X
Septum wire
P
X
•Q 接近零，极小振幅的粒子也被引出
Septum wire
注入引出系统实例之一 SRRF
 SSRF注入引出共有15块脉冲磁铁
能量
3.5GeV
周长
432m
发射度 ~4nm·rad
增能器注入
1 kicker
1 septum
增能器引出
1 kickers
3 septa
3 bumps
储存环注入
4 kickers
2 septa
增能器注入 Booster Injection
 一块冲击磁铁、一块切割磁铁
 注入能量 150MeV
 偏转角度 245 mrad.

Kicker
增能器引出 Booster Extraction
 3块慢凸轨磁铁使束流轨道凸起15mm ,束流能量 3.5GeV
 S2 & S3 1.0 Tesla 每块600mm长 2块磁铁在一个真空箱内 .
50
50
SP2-2
45
wj
40
E0j
35
E1j
E2j
KICK BP1
BEND
QD
BP2 QD
QF SP1
SP2-1
BP3
30
25
w j 50
20
E4j
E5j
E6j
 E4j 


 10 
15
10
5
0
5
 10
10
0
0
2
T
T
 ( "KI"
"KI"
4
"QD "
"RB"
6
"QF"
"KI"
8
Z j0
"KI"
"QD "
"KI"
10
"KI"
"KI" )
12
Z n 0
储存环注入 SR injection
 脉冲磁铁位于12米长的长直线节内
 凸轨高度14.6mm
 注入束流位置 24.6 mm
kicker 偏转角度 4.83 mrad
脉冲底宽3.8 ms half-sine
Septum: 55mrad each
脉冲底宽60 ms full-sine
隔板厚度 2.5mm.
储存环注入布局图
 Storage Ring
Transfer Line
切割铁研制工艺
涡流型设计
磁铁置于真空箱内.
所有切割铁具有相同的结构设计
硅钢片0.1mm厚，硅含量 (6.5%)
曲线形磁芯使束流孔径最大化
脉冲励磁，不需要冷却
线圈支撑采用特种材料（Vespel-SP1）
无氧铜假真空管道，降低束流耦合阻抗
切割铁漏场
 槽型设计减少漏场
 高m值金属屏蔽层 (m > 10000)
 主场 : 0.9 Tesla  800 mm  2
8700A
 漏场  0.05% (0.7 Gauss·m)
Mumetal shielding screen
Eddy current sheet
储存环冲击磁铁
 四块完全相同的磁铁，内置陶瓷真空室. ACCEL
 镀膜(1.5 mm ) 钛，方电阻0.15 ohm/square Ti.
 脉冲波形半正弦 3.8 ms
Field Homogeneity
Relative to Chamber Center x=y=0mm
y = 5mm
y = 0mm
y = -5mm
2.00%
1.50%
1.00%
Deviation D
0.50%
0.00%
-0.50%
-1.00%
-1.50%
-2.00%
-15
-10
-5
0
x / mm
5
10
15
增能器冲击磁铁

磁铁置于真空箱内，铁氧体，窗型

脉冲形成线（PFL）靠近磁铁

梯形波
增能器凸轨磁铁
•
•
C型铁芯易于安装
200ms 半正弦波，避免金属真空室涡流引起对场的衰减.